Sadržaj ć I. UdUvod - osnovnij ii pojmovi Dejan Mirkovi ć

Integrisana kola sa mešovitim signalimaIntegrisana kola sa mešovitim signalima

Prof. Dr Predrag Petković,o . ed ag e ov ć,Dejan Mirković

Katedra za elektronikuElektronski fakultet Niš

09.03.2011 1

LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/


Sadržaj:I U d i j iI. Uvod - osnovni pojmoviII. Lejaut analognih modulaIII P j kt j d l š itiIII. Projektovanje modula sa mešovitim

signalimaIV Pl i j d d lIV. Planiranje rasporeda modulaV. VHDL - AMS

09.03.2011 2



Sadržaj:II L j t l ih d lII Lejaut analognih modula

2.1. Specifičnosti projektovanja analognih modula2 2 Uparivanje vrednosti parametara komponenata2.2. Uparivanje vrednosti parametara komponenata

2.2.1. Uzroci neuparenosti2.2.2. Tehnike uparivanjap j2.2.3. Uparivanje MOS tranzistora2.2.4. Uparivanje kondenzatora 2.2.5. Uparivanje otpornika

2.3. Primer projektovanja lejauta integrisanog pojačavača

09.03.2011 3


Lejaut analognih modula

2 2 4 U i j k d t


2.2.4. Uparivanje kondenzatora Glavni uzroci neuparenosti kondenzatora jesu

neravnomerno bočno nagrizanje i varijacija debljine oksida.

Usled bočnog nagrizanja stvarne dimenzije kondenzatora manje su od željenih.j j

Lažni elementi.Podela na identične segmentePodela na identične segmente.Segmenti kvadratnog oblika tako da se zbog odnosa

ši i i d ži i j j di ič i k d t iLEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/

širine i dužine, nazivaju jedinični kondenzatori. 4409.03.2011


2 2 4 Uparivanje kondenzatora


2.2.4. Uparivanje kondenzatora Podela na identične segmente:


5509.03.2011




2.2.4. Uparivanje kondenzatora Podela na identične segmente:C1 i C2


6609.03.2011




2.2.4. Uparivanje kondenzatora Podela na identične segmente:C3


7709.03.2011






809.03.2011 8






909.03.2011 9




2.2.4. Uparivanje kondenzatora Podela na NEidentične segmente.Odnos obim/površina.

Stvarna vrednost:


1009.03.2011 10




2.2.4. Uparivanje kondenzatora Podela na NEidentične segmente.Stvarna vrednost:


1109.03.2011 11




2.2.4. Uparivanje kondenzatora Podela na NEidentične segmente.

Relativna greška proporcionalna odnosu obima i površine nacrtane maske kondenzatora.površine nacrtane maske kondenzatora.

Greška manja ako su dimenzije veće


1209.03.2011 12




2.2.4. Uparivanje kondenzatora Cs2/Cs1=?

( )( )

222

11 rs

CC

CC

δδ

++

=

δ = δ za isti odnos Obim/Površina

( )111 1 rs CC δ+

δr1= δr2 za isti odnos Obim/Površina


1309.03.2011 13




2.2.4. Uparivanje kondenzatora Cs2/Cs1=K - nije ceo broj


1409.03.2011 14




2.2.4. Uparivanje kondenzatora Cs2/Cs1=K - nije ceo broj


1509.03.2011 15


2 2 5 Uparivanje otpornika


2.2.5. Uparivanje otpornikaOtpornici se realizuju u metalu, polisilicijumu,

dif iji i j ki i l ti l jdifuziji i jonski implantiranom sloju.Nezavisno od materijala za njihov proračun koriste

se izrazi:R=ρ / tR ρ / t

ρ- specifična otpornostt d blji l jt- debljina sloja

R=R·L/WLEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/

1609.03.2011 16


2 2 5 Uparivanje otpornika


2.2.5. Uparivanje otpornika

U retkim slučajevima kada se zahtevaju veoma male otpornosti od 50mΩ do 5Ω, koriste se metalni otpornici u metalu 1 ili metalu 2

Zašto M1 i M2?(debljina mala, pa je slojna otpornost veća nego

kod viših nivoa metala).kod viših nivoa metala).


1709.03.2011 17




2.2.5. Uparivanje otpornikaZa veće vrednosti otpornosti preporučuje se

niskootporni i visokootporni polislicijumski slojniskootporni i visokootporni polislicijumski sloj. Niskootporni poli (gejtovi) karakteriše slojna

t t d k 20 Ω/otpornost od oko 20 Ω/.Moderni CMOS procesi sa salicidom otprnost može

da se smanji do 1-5 Ω/Visokootporni poli sa otpornošću reda kΩ/.p p pZa velike vrednosti otpornosti može se koristiti i n-

well sloj.LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/

well sloj.

1809.03.2011 18




p j pUmereno upareni otpornici (±0,1%) ne bi trebali

biti manji od 5 kvadrata.biti manji od 5 kvadrata.Precizno uparivanje zahteva najmanje 10 kvadrata.P k d bi t i ihPreporuka da zbir segmenata precizno uparenih

polisilicijumskih otpornika ne bude kraći od 5050μm.

Empirijski je utvrđeno da se otpornici od polija p-tipa bolje uparuju od otpornika n-tipa.


1909.03.2011 19




p j pDifundovane i jonski implantirane otpornike

karakteriše nelinearna otpornost (varira sakarakteriše nelinearna otpornost (varira sa promenom napona na otporniku) jer širina osiromašene oblasti varira kod jako dopiranihosiromašene oblasti varira kod jako dopiranih oblasti.

Kod polisilicujmskih otpornika je varijacija širineKod polisilicujmskih otpornika je varijacija širine mnogo manja, što je glavni razlog da se polisilicijumskim otpornicima daje prednostpolisilicijumskim otpornicima daje prednost.


2009.03.2011 20




p j pDugi otpornici mogu da se realizuju kao zmijolika

struktura.struktura.


2109.03.2011 21




p j pUpareni otpornici realizuju se uplitanjem.

Lažniotpornik

Lažniotpornik

RA RA RA RARBRB RB RB


2209.03.2011 22

A A A ABB B B




p j pPoluprovodnički otpornici osetljivi na promenu

temperature.temperature.1. Temperaturski koeficijent

j ki i l ti ili dif d• za jonski implantirane ili difundovane otpornike pozitivan i veliki (posebno za

lik t ik ) i k ć d 100velike otpornike) i kreće se od 100 ppm/°C do 3000 ppm/°C.

• Polisilicijumski otpornici imaju temperaturski koeficijent od 150-1000


ppm/°C.2309.03.2011 23




p j pPoluprovodnički otpornici osetljivi na promenu

temperature.temperature.2. Termoelektrični potencijal: na kontaktima, usled

različite temperature javlja se potencijal odrazličite temperature javlja se potencijal od nekoliko stotina μV/oC.


2409.03.2011 24




p j p

ΔVΔV


2509.03.2011 25




p j p


2609.03.2011 26




p j p

Termoelektrični potencijal se sabira


2709.03.2011 27




p j p

Termoelektrični potencijal se potirep


2809.03.2011 28


2 3 Primer projektovanja lejauta integrisanog



Potpuno diferencijalni transkonduktansniPotpuno diferencijalni transkonduktansnipojačavač (OTA) sa kaskodnim tranzistorima (folded cascode)(folded-cascode)


2909.03.2011 29




120/0.8 60/0.8 60/0.82.3. Primer projektovanja lejauta integrisanog pojačavača

Potpuno diferencijalni transkonduktansni120/1.6Potpuno diferencijalni transkonduktansnipojačavač (OTA) sa kaskodnim tranzistorima (folded cascode)

60/1.6 60/1.6

(folded-cascode)50/1.6 50/1.6100/0.8 100/0.8

50/0 8 50/0 850/0.8 50/0.8


3009.03.2011 30






60/1.6 60/1.6

(folded-cascode)50/1.6 50/1.6100/0.8 100/0.8

50/0 8 50/0 850/0.8 50/0.8


3109.03.2011 31






60/1.6 60/1.6

(folded-cascode)50/1.6 50/1.6100/0.8 100/0.8

50/0 8 50/0 850/0.8 50/0.8


3209.03.2011 32





Potpuno diferencijalni folded cascode OTAPotpuno diferencijalni folded-cascode OTA

Organizacija g jlejauta pojačavača –p jPlan površine


3309.03.2011 33






S1 =S2

G =VIN+ G =VIN

1 2

100/0 8 100/0 8G1=VIN+ G2=VIN-

D1 D2

100/0.8 100/0.8

PMOS ulazni diferencijalni par


3409.03.2011 34






S1 =S2

G =VIN+ G =VIN

1 2

100/0 8 100/0 8G1=VIN+ G2=VIN-

D1 D2

100/0.8 100/0.8



3509.03.2011 35






G1=VIN+

S1 =S2

G VING1 VIN+

25/0.8 25/0.825/0.825/0.825/0.8 25/0.8 25/0.8

G2=VIN-

25/0.8

D1 D2



3609.03.2011 36





Potpuno diferencijalni folded cascode OTAPotpuno diferencijalni folded-cascode OTAD2

M21 M22 M23 M24

M11 M1 M1 M1

S1 =S2

D1M11 M12 M13 M14

PMOS ulazni diferencijalni par verzija 0


3709.03.2011 37






M21 M22 M23 M24 M25 M26 M27 M28 M29 M210 M211 M212 M213 M214 M215 M216


S1 =S2

D1




3809.03.2011 38





Potpuno diferencijalni folded cascode OTAPotpuno diferencijalni folded-cascode OTAD21 =D22 D23=D24 D25=D26 D27 =D28 D29 =D210 D211 =D212 D213 =D214 D215=D216

G1=VIN+

S1 =S2

D11 D12=D13 D14=D15 D16=D17 D18=D19 D110=D111 D112=D113 D14=D115 D116

G2=VIN

PMOS ulazni diferencijalni par verzija 11 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16


3909.03.2011 39






Zašto ovo nije dobro?


4009.03.2011 40





Potpuno diferencijalni folded cascode OTAPotpuno diferencijalni folded-cascode OTAZašto ovo nije dobro?

1 K i id ij1. Koincidencija2. Simetrija3 Di ij3. Disperzija4. Kompaktnost


4109.03.2011 41








S1 =S2

Koincidencija?D1


Koincidencija?


4209.03.2011 42





Potpuno diferencijalni folded cascode OTAPotpuno diferencijalni folded-cascode OTAM2

M21 M22 M23 M24 M25 M26 M27 M28

M2 M2 M2 M2 M2 M2 M2 M2M11 M1 M1 M1 M1 M1 M1 M1

M19 M110 M111 M112 M113 M114 M115 M116

M1




4309.03.2011 43






M1/2

M1/2



4409.03.2011 44






M2/2

M2/2



4509.03.2011 45






M21 M22 M23 M24

M2 M2 M2 M2

M29 M210 M211 M212

M2 M2 M2 M2M11 M1 M1 M1

M15 M16 M17 M18

M1 M1 M1 M1

M113 M114 M115 M116




4609.03.2011 46


2.3. Primer projektovanja lejauta integrisanog


p j j j g gpojačavača

Potpuno diferencijalni folded-cascode OTAPotpuno diferencijalni folded cascode OTAM1/4 M1/4

M1/4 M1/4


M1/4 M1/4


4709.03.2011 47





Potpuno diferencijalni folded cascode OTAPotpuno diferencijalni folded-cascode OTAM2/4 M2/4

M2/4 M2/4


M2/4 M2/4


4809.03.2011 48






120/0.8 60/0.8 60/0.8

120/1.660/1.6 60/1.6

Lejaut PMOS tranzistora M M M M M MLEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/

4909.03.2011 49

Lejaut PMOS tranzistora M3 M4 M5 M6 M7 M8

Lejaut analognih modula120/0.8 60/0.8 60/0.8



120/1.62.3. Primer projektovanja lejauta integrisanog pojačavača

Potpuno diferencijalni folded cascode OTA

60/1.6 60/1.6

Potpuno diferencijalni folded-cascode OTAM6 M4 M8

M5 M3 M7


5009.03.2011 50

Lejaut analognih modula120/0.8 60/0.8 60/0.8



120/1.660/1.6 60/1.62.3. Primer projektovanja lejauta integrisanog

pojačavačaPotpuno diferencijalni folded cascode OTAPotpuno diferencijalni folded-cascode OTA

Lejaut PMOS tranzistora M5 M6 M3 M4 M7 M8


5109.03.2011 51






50/1 650/1.650/1.6

50/0.850/0.8

Grupa NMOS tranzistora M M M MLEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/

5209.03.2011 52

Grupa NMOS tranzistora M9 M10 M11 M12

Lejaut analognih modula50/1.6

50/1.6


Lejaut analognih modula50/0.8

50/0.8



M9 M11 M10M12D9=VOUT+ D11 D12 D10=VOUT-

S11 =S12=gnd! S9 S10

Lejaut NMOS tranzistora M9 M11 M12 M10


5309.03.2011 53






Lejaut celog kola - ulazni tranzistori: varijanta 2LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/

5409.03.2011 54

Lejaut celog kola ulazni tranzistori: varijanta 2






Lejaut celog kola - ulazni tranzistori: varijanta 3LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/

5509.03.2011 55

Lejaut celog kola ulazni tranzistori: varijanta 3

Lejaut analognih modulaLejaut analognih modula

Šta smo naučili? Šta se očekuje da znamo?Šta se očekuje da znamo?

1 Da li je lakše upariti otpornike ili1. Da li je lakše upariti otpornike ili kondenzatore?

2 Šta je jedinični kondenzator?2. Šta je jedinični kondenzator?3. Kolike su preporučene minimalne

dimenzije za uparene otpornike?dimenzije za uparene otpornike?

09.03.2011 56



Šta se očekuje da znamo?


Š se oče uje d o?

1. Koji su glavni uzroci neuparenosti kondenzatora?2. Značaj odnosa obim/površina C.3. Projektovanje dimenzija kondenzatora čiji je odnos

1:n 1<n<21:n 1<n<2.4. Skicirati strukturu dva uparena otpornika koji se

sastoje od po 4 identična segmenta.j p g5. Šta je termoelektrični potencijal? 6. Skicirati orijentaciju (u odnosu na raspodelu

temperature) i strukturu otpornika kod koga je neutralisan uticaj termoelektričnog potencijala.

57

LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/09.03.2011 57

Lejaut analognih modulaLejaut analognih modula

Sledeće nedeljej

Projektovanje modula sa MS (str. 187-206)

09.03.2011 58


Documents

Sadržaj ć I. UdUvod - osnovnij ii pojmovi Dejan Mirkovi ć